本發(fā)明屬于仿生材料及操控微粒技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種仿生表面、其制備方法和用途，具體涉及一種仿生表面、其制備方法及利用所述仿生表面操控微粒的方法。

背景技術(shù)：

目前已有的操控微顆粒的方法主要有光攝法和磁控法。光攝法(CN 102449163A)是基于對DEP響應(yīng)關(guān)聯(lián)的性狀進(jìn)行選擇，主要的缺陷在于只能操控細(xì)胞或較大型的顆粒；磁控法(CN 1346053A)可以運(yùn)輸或是重新定向懸液中的微粒，是利用電場對微顆粒進(jìn)行操控，對于不帶電的顆粒操控有一定的局限性。

壁虎腳掌的秘密近年來引起了科學(xué)家的興趣。壁虎腳掌下有數(shù)百萬根很細(xì)很柔軟的剛毛，每根剛毛長度約為30-150um，平均直徑10um，每一根剛毛末梢繼續(xù)分叉為數(shù)百根更細(xì)小的鏟狀觸須，每根觸須長度及寬度方向尺寸約為200nm，厚度為5nm。這樣的結(jié)構(gòu)極大地增加了腳趾與墻壁的接觸面積，隨之增大了腳趾與墻壁之前的范德華力，這也是壁虎的腳趾表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附能力的原因。除了很強(qiáng)的粘附力外，壁虎的剛毛還具有很強(qiáng)的自清潔能力。壁虎剛毛的微顆粒自清潔與腳掌和壁面的分離速度密切相關(guān)。有人設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)查和測量單壁虎剛毛和鏟與不同剪切和脫離速度。結(jié)果表明，速度相關(guān)型顆粒-壁面粘附和速度獨(dú)立鏟粒子動態(tài)響應(yīng)的差異導(dǎo)致了魯棒性的自清潔能力。在動物的運(yùn)動期間DH生成高于正常拉開和剪切速度之前的每一步，因此，壁虎可以有效和高效地去除灰塵從腳趾墊。此外，單一壁虎剛毛一級的自潔機(jī)制的深入理解可以導(dǎo)致單壁虎剛毛作為新型功能強(qiáng)大的微操作機(jī)器人工具用于各種應(yīng)用程序。

現(xiàn)有報道(Robust self-cleaning and micromanipulation capabilities of gecko spatulae and their bio-mimics,nature communications，2015)雖然研究了壁虎腳掌的干燥自清潔原理，并提出了功能表面自清潔機(jī)理，但是僅限于石墨片對圓形二氧化硅顆粒的操控，對于非二氧化硅材質(zhì)，且其形狀為三角形或正方形的微粒均無涉及，且并未談及在水下的操控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種仿生表面、其制備方法及用途，所述仿生表面能夠自由操控微粒，擺出復(fù)雜圖案。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種仿生表面，所述仿生表面為壁虎剛毛狀，所述仿生表面包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢的鏟狀觸須，所述剛毛主軸的直徑為100nm-500μm，如120nm、150nm、180nm、200nm、300nm、500nm、1μm、2μm、5μm、8μm、10μm、50μm、80μm、100μm、300μm、400μm或450μm等；所述鏟狀觸須的末端呈即鏟狀，所述鏟狀觸須的厚度為10nm-100μm，如20nm、30nm、50nm、80nm、100nm、200nm、500nm、800nm、1μm、5μm、10μm、20μm、50μm、70μm、80μm或90μm等；所述鏟狀觸須平面投影的尺寸為1μm×1μm至1000μm×1000μm，如3μm×3μm、10μm×5μm、15μm×20μm、30μm×50μm、100μm×200μm、500μm×500μm、600μm×400μm或800μm×700μm。

所述鏟狀觸須的根數(shù)至少為1根，如2根、3根、4根、5根、6根、10根或15根等，優(yōu)選為1根。

所述仿生表面的材質(zhì)包括石墨、石墨烯、硅、硅烯、二硫化鉬、玻璃微纖維或聚酯纖維中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的仿生表面材質(zhì)組合如，石墨與石墨烯，硅與硅烯，二硫化鉬與玻璃微纖維，聚酯纖維與石墨，石墨、石墨烯與硅，硅烯、二硫化鉬與玻璃微纖維，二硫化鉬、玻璃微纖維與聚酯纖維。

單根壁虎剛毛包括剛毛主軸和鏟狀觸須，剛毛主軸末梢分叉為數(shù)百根鏟狀觸須。本發(fā)明提供的仿生表面，其形貌與壁虎剛毛的形貌相同。

本發(fā)明的目的之一還在于提供一種如上所述的仿生表面的制備方法，所述方法包括如下步驟：

(1)利用CVD法制備沉積層；

(2)利用等離子體處理，在沉積層表面負(fù)載上N(氮)原子，得到含氮沉積層；

(3)將含氮沉積層切割成壁虎剛毛狀，所述壁虎剛毛狀包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢的鏟狀觸須，得到所述仿生表面。

步驟(1)所述沉積層包括石墨層、石墨烯層、硅層、硅烯層、二硫化鉬層、玻璃微纖維層或聚酯纖維層中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的沉積層組合如，石墨層與石墨烯層，硅層與硅烯層，二硫化鉬層與玻璃微纖維層，聚酯纖維層與石墨層，石墨層、石墨烯層與硅層，硅烯層、二硫化鉬層與玻璃微纖維層，二硫化鉬層、玻璃微纖維層與聚酯纖維層。

優(yōu)選地，步驟(1)所述沉積層的厚度為10nm-100μm，如20nm、30nm、50nm、80nm、100nm、200nm、500nm、800nm、1μm、5μm、10μm、20μm、50μm、70μm、80μm或90μm等。

優(yōu)選地，步驟(2)所述在沉積層表面負(fù)載N原子具體為：在電壓為10-30W條件下，如12W、15W、18W、20W、22W、25W或28W等，以純氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w，利用等離子體處理工藝處理沉積層表面1-10min，如2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min或9min等。

優(yōu)選地，步驟(3)采用光刻法和/或等離子轟擊法切割含氮沉積層。

優(yōu)選地，步驟(3)得到的仿生表面的剛毛主軸的直徑為100nm-500μm，如120nm、150nm、180nm、200nm、300nm、500nm、1μm、2μm、5μm、8μm、10μm、50μm、80μm、100μm、300μm、400μm或450μm等，所述鏟狀觸須的厚度為10nm-100μm，如20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、1μm、5μm、10μm、30μm、50μm、80μm或90μm等；所述鏟狀觸須的平面投影尺寸為1μm×1μm至1000μm×1000μm，如3μm×3μm、10μm×5μm、15μm×20μm、30μm×50μm、100μm×200μm、500μm×500μm、600μm×400μm或800μm×700μm。

本發(fā)明的目的之一還在于提供一種利用所述仿生表面操控微粒的方法，所述方法為：將仿生表面與位于基質(zhì)表面的微粒接觸，移動，之后，通過仿生表面與微粒之間的分離力與分離速度之間的關(guān)系分離仿生表面和微粒，從而操控微粒在基質(zhì)上的位置。

所述微粒的粒徑為10nm-1000μm，如20nm、50nm、80nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、5μm、10μm、50μm、100μm、200μm、500μm、700μm或900μm等。

優(yōu)選地，所述微粒的表面接觸角為0°-180°，如2°、5°、8°、10°、20°、30°、50°、80°、100°、120°、130°、150°或170°等。

優(yōu)選地，所述微粒的表面粗糙度為1nm-100μm，如5nm、10nm、20nm、50nm、80nm、100nm、200nm、500nm、800nm、1μm、5μm、10μm、30μm、50μm、70μm、80μm或90μm等。

優(yōu)選地，所述微粒的材質(zhì)包括聚苯乙烯、二氧化硅或三氧化二鋁中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如聚苯乙烯與二氧化硅，二氧化硅與三氧化二鋁，聚苯乙烯、二氧化硅與三氧化二鋁。

優(yōu)選地，所述微粒的形狀包括圓形、矩形或三角形，典型但非限制性的組合如圓形與矩形，圓形與三角形，圓形、矩形與三角形。

所述仿生表面在空氣中或在液體中操控微粒。

優(yōu)選地，所述空氣的濕度為30％-80％，如35％、40％、45％、50％、55％、60％、70％或75％等。

優(yōu)選地，所述液體包括水、油或含鹽類的溶液中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如水與油，水與含鹽類的溶液，水、油與含鹽類的溶液。

所述仿生表面可在液體中操控微粒移動，并且可自由操控各種形狀的微粒，微粒的形狀不局限于三角形、正方形或球形。并且微?？蔀榻^緣體或?qū)w，材質(zhì)可為均一材料或混合材料，進(jìn)一步加深了仿生表面的應(yīng)用范圍。

所述仿生表面與微粒接觸前，先將仿生表面固定在原子力顯微鏡針尖探針的自由端。

優(yōu)選地，所述移動通過原子力顯微鏡的針尖探針實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述仿生表面可重復(fù)使用。

所述移動過程中仿生表面與微粒之間的剪切速度為0.1-10⁴μms^-1，如0.5μms^-1、1μms^-1、5μms^-1、10μms^-1、50μms^-1、100μms^-1、500μms^-1、1000μms^-1、3000μms^-1、4000μms^-1、6000μms^-1、7000μms^-1、8000μms^-1或9000μms^-1等。

優(yōu)選地，所述分離的分離速度為10^-2-10⁵μms^-1，如0.05μms^-1、0.1μms^-1、0.5μms^-1、1μms^-1、2μms^-1、5μms^-1、10μms^-1、20μms^-1、50μms^-1、100μms^-1、500μms^-1、1000μms^-1、3000μms^-1、5000μms^-1、10000μms^-1、50000μms^-1或80000μms^-1等。

所述基質(zhì)為微粒所在或移動后所在的物體。

所述基質(zhì)的表面粗糙度小于5nm，如4nm、3nm、2nm、1nm、0.5nm、0.1nm或0.05nm等。

優(yōu)選地，所述基質(zhì)包括玻璃、云母、藍(lán)寶石、二氧化硅、聚苯乙烯或聚四氟乙烯中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如玻璃與云母，藍(lán)寶石與二氧化硅，聚苯乙烯與聚四氟乙烯，玻璃、云母與藍(lán)寶石，二氧化硅、聚苯乙烯與聚四氟乙烯。

所述基質(zhì)可通過商購獲得。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的由特定材質(zhì)制備得到的仿生表面模仿壁虎剛毛，能夠自由操控微粒，為微粒的操控提供了一種新的思路；

本發(fā)明提供的仿生表面能夠自由的操控微粒擺成復(fù)雜的圖形，所述微粒的粒徑范圍較大，其粒徑為10nm-1000μm，并且對微粒的帶電性能沒有要求，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的可操控微粒范圍窄的難題；

本發(fā)明提供的利用所述仿生表面操控微粒的方法通過控制仿生表面與微粒之間的分離力與分離速度的大小實(shí)現(xiàn)，能較好地實(shí)現(xiàn)微粒的操控。

附圖說明

圖1為單根壁虎剛毛電鏡圖；

圖2為利用仿生表面操控微粒擺出的壁虎圖形；

圖3為仿生表面及微粒與基質(zhì)之間的脫附力與分離速度之間的關(guān)系圖，其中，剛毛粒子表示抓住微粒的仿生表面。

圖4為在仿生表面與基質(zhì)之間的剪切速度不同的情況下，仿生表面與微球之間的脫附力與分離速度之間的關(guān)系圖，其中，Vs指仿生表面與基質(zhì)之間的剪切速度。

圖5為在仿生表面與基質(zhì)之間的剪切速度不同的情況下，仿生表面與基質(zhì)之間的脫附力與分離速度之間的關(guān)系圖，其中，PS指聚苯乙烯(Polystyrene)，Mica指云母片，Vs指仿生表面與基質(zhì)之間的剪切速度。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，為單根壁虎剛毛的掃面電鏡圖。從圖中可以看出，單根壁虎剛毛包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢分叉的多個鏟狀觸須。

實(shí)施例1

一種仿生表面，所述仿生表面為壁虎剛毛狀，所述仿生表面包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢的3根鏟狀觸須。所述仿生表面的材質(zhì)為石墨烯。所述剛毛主軸的直徑為100nm。所述鏟狀狀觸須的厚度為10nm；所述鏟狀觸須的平面投影尺寸為1μm×1μm。

所述仿生表面的制備方法包括如下步驟：

(1)利用CVD法制備厚度為10nm的石墨烯沉積層；

(2)利用等離子體處理，在電壓為10W，純氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w的條件下，處理沉積層表面1min，在沉積層表面負(fù)載上N原子，得到含氮石墨烯沉積層；

(3)將含氮石墨烯沉積層采用光刻法和等離子轟擊法切割成壁虎剛毛狀，所述壁虎剛毛狀包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢分叉的鏟狀觸須，得到所述仿生表面，仿生表面的剛毛主軸的直徑為100nm，鏟狀觸須的厚度為10nm，鏟狀觸須的平面投影尺寸為1μm×1μm。

利用所述仿生表面操控微粒的方法為：

(1)將仿生表面粘合在原子力顯微鏡針尖探針的自由端，通過移動原子力顯微鏡的針尖探針移動所述仿生表面，使得所述仿生表面與位于基質(zhì)表面的微粒在濕度為30％的空氣中接觸，所述基質(zhì)的表面粗糙度為1nm，所述基質(zhì)的材質(zhì)為聚四氟乙烯；所述微粒的粒徑為1000μm，表面接觸角為0°，表面粗糙度為1nm，材質(zhì)為聚苯乙烯與二氧化硅的復(fù)合物，形狀為三角形；

(2)繼續(xù)移動原子力顯微鏡的針尖探針，當(dāng)微粒到達(dá)期待的位置后，分離仿生表面和微粒，分離的分離速度為10^-2μm/s，移動過程中仿生表面與微粒之間的剪切速度為10⁴μm/s。

利用所述仿生表面操控微?？尚纬蓤D2所示的壁虎圖形。

實(shí)施例2

一種仿生表面，所述仿生表面為壁虎剛毛狀，所述仿生表面包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢的1根鏟狀觸須，所述仿生表面的材質(zhì)為硅烯，所述剛毛主軸的直徑為500μm，所述鏟狀觸須的厚度為100μm；所述鏟狀觸須的平面投影尺寸為1000μm×1000μm。

所述仿生表面的制備方法包括如下步驟：

(1)利用CVD法制備厚度為100μm的硅烯沉積層；

(2)利用等離子體處理，在電壓為30W，純氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w的條件下，處理沉積層表面10min，在沉積層表面負(fù)載上N原子，得到含氮硅烯沉積層；

(3)將含氮硅烯沉積層采用光刻法和等離子轟擊法切割成壁虎剛毛狀，所述壁虎剛毛狀包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢分叉的鏟狀觸須，得到所述仿生表面，仿生表面的剛毛主軸的直徑為500μm，所述鏟狀觸須的厚度為100μm；所述鏟狀觸須的平面投影尺寸為1000μm×1000μm。

利用所述仿生表面操控微粒的方法為：

(1)將仿生表面粘合在原子力顯微鏡針尖探針的自由端，通過移動原子力顯微鏡的針尖探針移動所述仿生表面，使得所述仿生表面與位于基質(zhì)表面的微粒在濕度為80％的空氣中接觸，所述基質(zhì)的表面粗糙度為2nm，所述基質(zhì)的材質(zhì)為玻璃；所述微粒的粒徑為10nm，表面接觸角為180°，表面粗糙度為100μm材質(zhì)為二氧化硅，形狀為矩形；

(2)繼續(xù)移動原子力顯微鏡的針尖探針，當(dāng)微粒到達(dá)期待的位置后，分離仿生表面和微粒，分離的分離速度為10⁵μm/s，移動過程中仿生表面與微粒之間的剪切速度為0.1μm/s。

利用所述仿生表面操控微?？尚纬蓤D2所示的壁虎圖形。

實(shí)施例3

一種仿生表面，所述仿生表面為壁虎剛毛狀，所述仿生表面包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢的2根鏟狀觸須，所述仿生表面的材質(zhì)為二硫化鉬，所述剛毛主軸的直徑為100μm，所述鏟狀觸須的厚度為10μm；所述鏟狀觸須的平面投影尺寸為100μm×100μm。

所述仿生表面的制備方法包括如下步驟：

(1)利用CVD法制備厚度為10μm的二硫化鉬沉積層；

(2)利用等離子體處理，在電壓為20W，純氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w的條件下，處理沉積層表面5min，在二硫化鉬沉積層表面負(fù)載上N原子，得到含氮二硫化鉬沉積層；

(3)將含氮二硫化鉬沉積層采用光刻法和等離子轟擊法切割成壁虎剛毛狀，所述壁虎剛毛狀包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢分叉的鏟狀觸須，得到所述仿生表面，仿生表面的剛毛主軸的直徑為100μm，所述鏟狀觸須的厚度為10μm，所述鏟狀觸須的平面投影尺寸為100μm×100μm。

利用所述仿生表面操控微粒的方法為：

(1)將仿生表面粘合在原子力顯微鏡針尖探針的自由端，通過移動原子力顯微鏡的針尖探針移動所述仿生表面，使得所述仿生表面與位于基質(zhì)表面的微粒在水中接觸，所述基質(zhì)的表面粗糙度為0.5nm，所述基質(zhì)的材質(zhì)為聚苯乙烯；所述微粒的粒徑為10μm，表面接觸角60°，表面粗糙度為10μm，材質(zhì)為三氧化二鋁，形狀為圓形；

(2)繼續(xù)移動原子力顯微鏡的針尖探針，當(dāng)微粒到達(dá)期待的位置后，分離仿生表面和微粒，分離的分離速度為1000μm/s，移動過程中仿生表面與微粒之間的剪切速度為1000μm/s。

利用所述仿生表面操控微?？尚纬蓤D2所示的壁虎圖形。

實(shí)施例4

一種仿生表面，所述仿生表面為壁虎剛毛狀，所述仿生表面包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢的5根鏟狀觸須，所述仿生表面的材質(zhì)為石墨和聚酯纖維，所述剛毛主軸的直徑為100μm，所述鏟狀觸須的厚度為10μm，所述鏟狀觸須的平面投影尺寸為100μm×100μm。

所述仿生表面的制備方法包括如下步驟：

(1)利用CVD法制備厚度為10μm的石墨和聚酯纖維沉積層；

(2)利用等離子體處理，在電壓為20W，純氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w的條件下，處理沉積層表面5min，在石墨和聚酯纖維沉積層表面負(fù)載上N原子，得到含氮石墨和聚酯纖維沉積層；

(3)將含氮石墨和聚酯纖維沉積層采用光刻法和等離子轟擊法切割成壁虎剛毛狀，所述壁虎剛毛狀包括剛毛主軸和剛毛主軸末梢分叉的鏟狀觸須，得到所述仿生表面，仿生表面的剛毛主軸的直徑為100μm，所述鏟狀觸須的厚度為10μm，所述鏟狀觸須的平面投影尺寸為100μm×100μm。

利用所述仿生表面操控微粒的方法為：

(1)將仿生表面粘合在原子力顯微鏡針尖探針的自由端，通過移動原子力顯微鏡的針尖探針移動所述仿生表面，使得所述仿生表面與位于基質(zhì)表面的微粒在水中接觸，所述基質(zhì)的表面粗糙度為0.5nm，所述基質(zhì)的材質(zhì)為聚苯乙烯；所述微粒的粒徑為10μm，表面接觸角60°，表面粗糙度為10μm，材質(zhì)為三氧化二鋁，形狀為圓形；

(2)繼續(xù)移動原子力顯微鏡的針尖探針，當(dāng)微粒到達(dá)期待的位置后，分離仿生表面和微粒，分離的分離速度為1000μm/s，移動過程中仿生表面與微粒之間的剪切速度為1000μm/s。

利用所述仿生表面操控微?？尚纬蓤D2所示的壁虎圖形。

利用實(shí)施例2提供的仿生表面操控微粒，研究仿生表面或單根壁虎剛毛、微粒及基質(zhì)中的兩者之間的脫附力與分離速度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3-5所示。

圖3為抓住微粒的仿生表面與基質(zhì)之間及微粒與基質(zhì)之間的脫附力與分離速度之間的關(guān)系圖，可以看到，仿生表面與基質(zhì)之間的脫附力與脫附速度關(guān)系不大；但是，隨著微粒脫附速度的增加，微粒與基質(zhì)之間的脫附力顯著增加，因此低速下被仿生表面抓起的微粒，在高速脫附速度下可有效分離。

圖4為仿生表面與基質(zhì)之間的剪切速度不同的情況下，仿生表面與微粒之間的脫附力與分離速度之間的關(guān)系圖。該圖進(jìn)一步說明了隨著分離速度增加，仿生表面-微粒之間的脫附力增加，并且仿生表面與基質(zhì)之間的剪切速度的大小對仿生表面與微粒之間的脫附力的大小影響不大。

圖5為借助仿生表面進(jìn)行微粒操控過程中，仿生表面與基質(zhì)之間的剪切速度不同的情況下，仿生表面與基質(zhì)之間的脫附力與分離速度關(guān)系圖，其中，PS指聚苯乙烯(Polystyrene)，Mica指云母片。從圖中可以看出，仿生表面與基質(zhì)之間的脫附力隨著它們之間的剪切速度增大而增大，因此，借助仿生表面與微粒、仿生表面與基質(zhì)之間的不同速度效應(yīng)，可有效完成自清潔，即完成微粒操控。

申請人聲明，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。